如何幫助提高混合動(dòng)力汽車(chē)/電動(dòng)汽車(chē)電池斷開(kāi)系統的安全性和效率

對于混合動(dòng)力汽車(chē) (HEV) 和電動(dòng)汽車(chē) (EV)，電池管理系統 (BMS) 中的配電系統可為車(chē)輛的核心功能供電，還可提供安全斷開(kāi)高電壓或高電流事件的機制。隨著(zhù)對更高電壓、電流、效率和可靠性的需求持續增長(cháng)，配電系統的兩個(gè)核心組件（高壓繼電器和斷開(kāi)保險絲）面臨越來(lái)越多的設計挑戰。圖 1 展示了高壓繼電器和斷開(kāi)保險絲的概覽。

圖1：BMS配電系統中的電池斷開(kāi)保險絲和高壓繼電器

在緊急情況下，不可復位的電池斷開(kāi)保險絲將激活，斷開(kāi)電池與車(chē)輛其余部分之間的連接。高壓繼電器（也稱(chēng)為接觸器）會(huì )在正常運行期間連接和斷開(kāi)整個(gè) HEV 或 EV 的電源線(xiàn)。在本文中，我們將討論接觸器和斷開(kāi)保險絲驅動(dòng)器領(lǐng)域的新興技術(shù)，這些技術(shù)有助于使 BMS 變得更加智能、安全和高效。

實(shí)現快速可靠的電池斷開(kāi)系統

在發(fā)生碰撞時(shí)，需要切斷下游系統的電源，從而避免出現其他復雜問(wèn)題或損壞。目前常用的兩種解決方案是熔斷型保險絲和熱熔絲。熔斷型保險絲會(huì )在發(fā)生過(guò)流事件的熱條件下觸發(fā)，這些保險絲在出廠(chǎng)時(shí)就已經(jīng)預先設置完成。熱熔絲需要電子驅動(dòng)器發(fā)送信號來(lái)斷開(kāi)連接，主要由離散電路或傳統的安全氣囊電爆驅動(dòng)器驅動(dòng)。隨著(zhù) HEV 和 EV 系統的功率越來(lái)越高，熱熔絲能夠提供更高的可靠性，并更快地進(jìn)行部署。但是，為了實(shí)現快速反應以及驅動(dòng)這些熱熔絲的常用解決方案很容易變得非常復雜。還需要滿(mǎn)足國際標準化組織 (ISO) ISO26262 的要求，增加了這些設計的復雜性。

為了實(shí)現更快響應，德州儀器 (TI) DRV3901-Q1熱熔絲驅動(dòng)器采用了可以繞過(guò)串行外設接口 (SPI) 的直連 2 引腳硬件接口。DRV3901-Q1 驅動(dòng)器能夠與電壓、電流和電阻 (UIR) 傳感器配對使用，從而進(jìn)一步加快部署速度。BQ79631-Q1器件這樣的 UIR 傳感器可以通過(guò)硬件引腳直接與 DRV3901-Q1 驅動(dòng)器進(jìn)行通信，無(wú)需使用 MCU。

熱熔絲較為重要的功能之一是在發(fā)生撞車(chē)或其他嚴重故障時(shí)，能夠斷開(kāi)電池與系統其余部分的連接。系統設計人員必須確保能夠可靠地激活熱熔絲功能。DRV3901-Q1 的內置診斷功能可監測驅動(dòng)器狀態(tài)、熱熔絲運行狀況和備用電源的可用性。為了監控備用電源的可用性，需要測量?jì)δ茈娙萜?。如果電池提供的主電源不再可用，該電容器將作為熱熔絲系統的備用電源。通過(guò)定期檢查該電容器的放電電壓，DRV3901-Q1 驅動(dòng)器和 MCU 能夠檢測其故障，并向車(chē)輛發(fā)出警報，而不必等到需要使用時(shí)才發(fā)現無(wú)法使用。

保險絲在需要時(shí)能夠起效很重要，但保險絲不會(huì )錯誤熔斷也同樣重要。DRV3901-Q1 驅動(dòng)器具有集成的安全診斷功能，可防止熱熔絲意外熔斷。這是通過(guò)結合不同功能實(shí)現的，包括單獨的高側和低側驅動(dòng)器、用于硬件直接觸發(fā)的冗余引腳以及串行外設接口上的循環(huán)冗余校驗 (CRC) 保護。

改善車(chē)輛的整體配電狀況

HEV 或 EV 的電源線(xiàn)中常見(jiàn)的連接方式，是將高壓電池系統連接到牽引逆變器的主接觸器。也可能存在其他電源軌，例如用于連接充電站與電池的交流/直流充電接觸器，以及連接車(chē)內燈或加熱器等其他電氣負載的輔助接觸器。

接觸器是一種低壓電磁閥，用于控制機械繼電器開(kāi)關(guān)，此開(kāi)關(guān)能夠在高壓下提供高電流。為了控制功率不斷增加的系統，HEV 和 EV 車(chē)輛中的接觸器不斷發(fā)展。接觸器的低壓電磁閥元件通常由稱(chēng)為節能器的控制電路驅動(dòng)。節能器電路變得日益重要和復雜，以滿(mǎn)足對效率、可靠性和安全性的更高要求，還有助于提高大功率條件下的電源效率。這些電路有助于降低保持接觸器閉合所需的電流消耗。此節能器可以直接集成到接觸器中，也可以從外部添加。在嘗試實(shí)現系統級的安全目標時(shí)，需要外部節能器的接觸器很容易變得非常復雜。

完全集成式高功率接觸器驅動(dòng)器（如DRV3946-Q1驅動(dòng)器）可以替代復雜的節能器設計。DRV3946-Q1 驅動(dòng)器可使接觸器高效導通并安全關(guān)斷。為了實(shí)現更高效的導通，DRV3946-Q1 驅動(dòng)器具有可編程的峰值和保持電流控制功能。圖 2 展示了此功能的實(shí)際應用情況?？梢栽趩?dòng)期間提供更大的電流，以便建立初始連接。建立連接后，電流可在“保持”階段降低到較低的水平。能夠對集成的峰值和保持相位進(jìn)行編程，可使接觸器的開(kāi)關(guān)更加穩健、高效。

圖 2：DRV3946-Q1 中的峰值和保持電流控制

關(guān)閉接觸器也至關(guān)重要，它能夠快速斷開(kāi)接觸器有助于防止觸點(diǎn)焊接，并在出現故障時(shí)為車(chē)輛系統的其余部分提供第一道防線(xiàn)。常用解決方案利用快速放電功能實(shí)現峰值和保持電流控制，但會(huì )導致電路變得復雜。DRV3946-Q1 驅動(dòng)器將這兩項功能結合在單個(gè)芯片上，有助于降低系統復雜性，提高效率和安全性。

結語(yǔ)

提升接觸器的效率和可靠性有助于增加可駕駛里程、并增強 HEV 和 EV 日常駕駛的安全性。將熱熔絲驅動(dòng)器集成到單芯片解決方案中，有助于針對何時(shí)斷開(kāi)電池連接做出更智能、更快速的決策。DRV3901-Q1 熱熔絲驅動(dòng)器和 DRV3946-Q1 接觸器驅動(dòng)器為系統設計人員提供了多種選項，可支持他們設計出更智能、更安全的車(chē)輛。

（來(lái)源：德州儀器）